Estudo cinético da conversão de glicose a 5-hidroximetilfurfural em presença de catalisadores de nióbio - Jesus Junior, Maurino Magno de (2020)
O 5-hidroximetilfurfural (HMF) é um composto obtido a partir da reação de desidratação de hexoses. Seu potencial está na possibilidade de atuar como molécula base para a produção de diversos compostos químicos que hoje são produzidos a partir de fontes não renováveis e serem adquiridos industrialmente a partir de diferentes fontes de biomassa em biorrefinarias. Porém, as dificuldades durante as etapas de síntese e separação mostram-se como empasses para sua produção em escala industrial. Com intuito de contribuir com o avanço da pesquisa para a produção de HMF, o presente trabalho busca determinar os valores das constantes cinéticas para a reação de desidratação de glicose a HMF. Para isto, a atividade catalítica dos catalisadores ácido de nióbio (HNb) e do fosfato de nióbio (PNb) foram verificadas em uma mistura reacional constituída por solução aquosa 2 % (m/m) de substrato, uma relação entre substrato e catalisador de 3:1, nas temperaturas 125 °C, 135 °C e 145 °C, com um tempo reacional total de 180 min, com retirada de amostras a cada 15 min. Os catalisadores foram caracterizados antes e após os testes catalíticos por fisissorção de nitrogênio a 77 K, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (EDS). Além disso, foram avaliados a lixiviação e reuso dos catalisadores. Os resultados mostraram que durante os testes catalíticos o catalisador PNb apresenta menor conversão e rendimento com maior seletividade para o HMF, quando comparado com o HNb, que apresentou maior conversão e rendimento com menor seletividade para HMF. O PNb apresenta uma maior estabilidade durante os testes catalíticos, visto que, não foi observada variação significativa de suas características superficiais e morfológicas. Já o HNb apresentou uma menor estabilidade, possivelmente em função de uma maior formação de compostos húmicos, o que teria alterado as características superficiais. A partir dos testes de reuso, é possível afirmar que ambos os catalisadores são desativados logo após a primeira reação. Considerando os produtos obtidos nos testes catalíticos, foi proposto e modelada matematicamente uma malha reacional para os catalisadores. Os valores das constantes de velocidade para cada etapa da reação foram determinados pelo ajustamento dos dados experimentais ao modelo matemático e validada pelo erro médio. A malha reacional proposta para a reação utilizando PNb foi validada, apresentando um erro médio inferior a 5 %. Os resultados obtidos mostraram que, dentre as etapas consideradas, a etapa de isomerização é a mais lenta da reação, em função da menor constante de velocidade obtida. Além disso, a formação dos ácidos se mostrou mais favorecida a níveis de temperaturas maiores, visto que, as energias de ativação obtidas foram superiores a 160 kJ/mol. A malha reacional proposta para o catalisador ácido de nióbio não foi validada por apresentar um erro médio superior a 10 % para a conversão de glicose e produção de manose, frutose e HMF. A falta de ajuste indica que há necessidade de um melhor conjunto de valores iniciais para as constantes de velocidade ou propor uma nova malha reacional. Palavras-chave: Glicose. HMF. Catálise. Catalisadores de nióbio. Cinética. Modelagem matemática.